Компьютерная томография

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Опухоль головного мозга это любая внутричерепная опухоль, состоящая из абнормальных и неконтролируемо делящихся клеток, которые обычно можно обнаружить в самих тканях мозга, в тканях черепных нервов, в оболочках головного мозга, костях черепа, гипофизе и шишковидной железе, или распространяющихся из опухолей, первично локализованных в других органах. Первичные опухоли мозга обычно локализуются в задней черепной ямке у детей и в передних двух третях полушарий головного мозга у взрослых, хотя могут поражать любой отдел мозга. В настоящее время насчитывается около 120 типов опухолей мозга. Опухоли мозга встречается относительно редко - около 1,5% среди всех видов опухолей. В России в 2002 году было выявлено 5320 новых случаев опухолей головного мозга, что составило на 36% больше, чем в 1993 году. Распространенность опухолей мозга в России составляет 3.7 на 100 000 населения. Таким образом, примерно 13000 смертей в год происходит по причине опухолей головного мозга.

Диагностика опухолей мозга обычно включает в себя несколько этапов. На первом этапе невролог или нейрохирург проводит оценку неврологических симптомов, проверяя зрение, слух, координацию и рефлексы. В зависимости от полученных результатов могут быть проведены следующие диагностические тесты:

Компьютерная томография головного мозга.

КТ это рентгеновская установка, соединенная с компьютером для обработки сигнала и получения детальных изображений. Пациент помещается на подвижный стол, вокруг которого вращается рентгеновская трубка аппарата. Во время исследования может быть применено внутривенное введение контрастного вещества с целью повышения качества изображения или выявления отдельных образований, накапливающих контраст. Процедура безболезненная для пациента и обычно занимает не более 10 минут.

Магнитно-резонансная томография

Этот прибор использует магнитные импульсы для создания изображения. Исследование занимает примерно около 30-40 минут. МРТ чаще используется для диагностики опухолей головного мозга, потому что обеспечивает наибольшую детализацию границ опухоли. Иногда для повышения информативности исследования также используется внутривенное введение контрастных веществ.

1. Физиологические основы исследуемого объекта

Головной мозг человека - орган, координирующий и регулирующий все жизненные функции организма и контролирующий поведение. Все наши мысли, чувства, ощущения, желания и движения связаны с работой мозга, и если он не функционирует, человек переходит в вегетативное состояние: утрачивается способность к каким-либо действиям, ощущениям или реакциям на внешние воздействия. Данная статья посвящена мозгу человека, более сложному и высокоорганизованному, чем мозг животных. Однако существует значительное сходство в устройстве мозга человека и других млекопитающих, как, впрочем, и большинства видов позвоночных. Центральная нервная система состоит из головного и спинного мозга. Она связана с различными частями тела периферическими нервами - двигательными и чувствительными.

Головной мозг - симметричная структура, как и большинство других частей тела. При рождении его вес составляет примерно 0,3 кг, тогда как у взрослого он - около 1,5 кг. При внешнем осмотре мозга внимание, прежде всего, привлекают два больших полушария, скрывающие под собой более глубинные образования. Поверхность полушарий покрыта бороздами и извилинами, увеличивающими поверхность коры. Сзади помещается мозжечок, поверхность которого более тонко изрезана.

Ниже больших полушарий расположен ствол мозга, переходящий в спинной мозг. От ствола и спинного мозга отходят нервы, по которым к мозгу стекается информация от внутренних и наружных рецепторов, а в обратном направлении идут сигналы к мышцам и железам. От головного мозга отходят 12 пар черепно-мозговых нервов. Внутри мозга различают серое вещество, состоящее преимущественно из тел нервных клеток и образующее кору, и белое вещество - нервные волокна, которые формируют проводящие пути, связывающие между собой различные отделы мозга, а также образуют нервы, выходящие за пределы ЦНС и идущие к различным органам. Головной и спинной мозг защищены костными футлярами - черепом и позвоночником. Между веществом мозга и костными стенками располагаются три оболочки: наружная - твердая мозговая оболочка, внутренняя - мягкая, а между ними - тонкая паутинная оболочка. Пространство между оболочками заполнено спинномозговой жидкостью, которая по составу сходна с плазмой крови, вырабатывается во внутримозговых полостях и циркулирует в головном и спинном мозгу, снабжая его питательными веществами и другими необходимыми для жизнедеятельности факторами.

Кровоснабжение головного мозга обеспечивают в первую очередь сонные артерии; у основания мозга они разделяются на крупные ветви, идущие к различным его отделам. Хотя вес мозга составляет всего 2,5% веса тела, к нему постоянно, днем и ночью, поступает 20% циркулирующей в организме крови и соответственно кислорода. Энергетические запасы самого мозга крайне невелики, так что он чрезвычайно зависим от снабжения кислородом. Существуют защитные механизмы, способные поддержать мозговой кровоток в случае кровотечения или травмы. Особенностью мозгового кровообращения является также наличие т.н. гематоэнцефалического барьера. Он состоит из нескольких мембран, ограничивающих проницаемость сосудистых стенок и поступление многих соединений из крови в вещество мозга; таким образом, этот барьер выполняет защитные функции. Через него не проникают, например, многие лекарственные вещества.

Клетки ЦНС называются нейронами; их функция - обработка информации. В мозгу человека от 5 до 20 млрд. нейронов. В состав мозга входят также глиальные клетки, их примерно в 10 раз больше, чем нейронов. Глия заполняет пространство между нейронами, образуя несущий каркас нервной ткани, а также выполняет метаболические и другие функции.

Это т.н. явление прецессии, при котором ось вращающегося объекта поворачивается под действием внешних влияний. Наглядно наблюдать прецессию можно, например, если запустить волчок и подождать, пока он начнёт замедляться. Первоначально ось вращения волчка вертикальна. Затем его верхняя точка постепенно опускается и движется по расходящейся спирали. Это и есть прецессия оси волчка.

В нашем случае прецессия возникает благодаря угловому моменту ядра, который называют спином. Однако не следует путать понятия спин и спиновое квантовое число. Спиновое квантовое число - квантовое число, определяющее величину спина квантовой системы, то есть её собственного момента импульса. В квантовой механике спин ядра представлен определенным значением. В зависимости от значения спинового числа, для каждого атомного ядра будет несколько разных ориентаций, в которых ядра могут выстраиваться в линию в магнитном поле. Каждая ориентация представлена разным углом направления магнитного поля, вокруг которого ядро будет осуществлять прецессию.

МРТ стала возможной благодаря тому факту, что ядро атома водорода имеет магнитный момент. Спин протона таков, что протон имеет строго два возможных пути выстраиваться под действием приложенного магнитного поля. Водород стал наилучшим агентом для использования в МР визуализации благодаря тому, что он широко присутствует в человеческом теле.

Магнитные моменты индивидуальных спинов складываются, создавая суммарный вектор намагниченности, который представляет собой сумму магнитных моментов атомов:

M = м₀ + м₁ + м₂ +… = Умi.

В перпендикулярной плоскости намагничивание будет отсутствовать, т.к. поперечные проекции всех моментов хаотично распределены и их суммарный вектор равен нулю. При этом сами диполи не находятся в статическом положении, а постоянно вращаются по конусу вокруг направления поля B₀ согласно Ларморовой частоте.

На практике для получения сигнала от ядер необходимо облучить объект, помещенный в постоянное магнитное поле, дополнительным радиочастотным полем. Если частота РЧ-сигнала совпадает с параметрами ядра и магнитного поля, то возникает резонанс - атомы элемента поглощают энергию импульса и переходят на более высокий энергетический уровень. После прекращения действия РЧ импульса образованный магнитными моментами ядер суммарный вектор намагниченности M_z, отклонившийся от направления силовых линий основного поля, возвращается в исходное состояние M₀. Т.о. после РЧ импульса продольная составляющая намагниченности M_z возвращается в состояние M₀, а поперечная намагниченность M_xy - в нулевое значение.

Изменить продольную намагниченность можно применением резонансного поля B₁ в плоскости xy. Поэтому любые колебания магнитного поля, имеющего составляющую, колеблющуюся на резонансной частоте в плоскости xy, могут вызвать переход спинов из одного состояния в другое. Значения времени T₁ протонов для биологических тканей - от 500 до 2000 мс.

Поперечная спин-спиновая T₂ релаксация описывает процесс возвращения вектора поперечной намагниченности Mxy в равновесное состояние и зависит от обмена энергией между соседними спинами:

Это эмпирическое векторное уравнение Блоха, описывающее, как параметры релаксации показывают возвращение к равновесию для поля, направленного вдоль оси Z.

2. Структура МР томографа

Любой МРТ томограф состоит из:

- основного магнита;

- магнитных градиентов;

- генератора радиоимпульсов;

- приемника радиоимпульсов;

- систем сбора и обработки данных;

- систем энергоснабжения и охлаждения.

Магнитная система МРТ, помещается в специальной комнате, пол, стены и потолок которой обтягиваются тонкой металлической сеткой. Она служит для защиты от помех, проникающих по эфиру от различных источников: станций радио- и телевещания, электротранспорта, местных источников, например мощных аппаратов УВЧ терапии и др. Тем не менее, помехи проникают и вносят искажения в МР - томограммы. И это объяснимо - РЧ сигналы, получаемые от тканей организма, сравнимы по величине с электромагнитными колебаниями, приходящими из эфира и составляют десятки микровольт. Помехи могут проникать также из электросети. Для их подавления все силовые токи - источников питания главного магнита, градиентной системы и передатчика - пропускаются через фильтры. Этой же цели служит применение предварительного усилителя РЧ сигнала, расположенного в непосредственной близости от РЧ катушки для тела. Слабый РЧ сигнал, усиленный до нескольких милливольт с минимальной примесью помех, поступает в крейт, где дополнительно усиливается.

Системе водяного охлаждения отводится важная роль. Вода используется для отвода тепла не только от катушек главного магнита, но и от нагруженных силовых элементов источников питания главного магнита и градиентных систем. Применяют два типа систем водяного охлаждения: статическую и динамическую. В статической системе вода закачивается в резервуар, расположенный на высоте 9-го - 10-го этажа, т.е. создается давление около 3-4 атм. Резервуар имеет емкость, достаточную для работы МРТ в течение 1 часа. Динамическая система проще, так как вода подается в систему охлаждения непосредственно из водопроводной сети насосом. Однако стабильность напора воды в ней хуже, а при авариях в водопроводной сети или в системе охлаждения обследование приходится сразу прерывать.

В МРТ применяют два монитора: цветной общего назначения и полутоновый черно-белый для вывода изображения. Для получения твердой копии изображения применяют различные принтеры - лазерные, тепловые и другие, которые дают черно-белые полутоновые изображения.

Особенностью системы управляющих команд МРТ является большой удельный вес аналоговых сигналов. К ним относятся, прежде всего, радиочастотные посылки и аналоговые напряжения для управления градиентной системой, а также некоторые вспомогательные сигналы. Роль цифровых сигналов в основном сводится к управлению аналоговыми сигналами и формированию временных интервалов. Разумеется, аналоговый РЧ сигнал, принимаемый антенной, преобразуется в цифровой. В основном все сигналы и данные измерения, передаваемые на исполнительные устройства и в ЭВМ, вырабатываются в крейте.

Контроллер предназначен для организации обмена данными между крейтом и ЭВМ. Он обеспечивает адресацию блоков крейта, трансляцию данных из ЭВМ, прием оцифрованного МР сигнала в последовательном коде по двум каналам, преобразование его в параллельный и ввод в ЭВМ в режиме прямого доступа к памяти. С целью ускорения преобразования вида изображения в нем могут быть предусмотрены для этого аппаратные средства. Например, сравнительно просто и быстро на аппаратном уровне выполняется инверсия изображения «позитив-негатив» с помощью элементов «Исключающее ИЛИ».

Большинство блоков крейта требует для своего функционирования разнообразных импульсов различной частоты и длительности. Их поставляет программатор импульсов, который, в свою очередь, получает необходимую информацию об этих импульсах от контроллера.

В программаторе уровней с помощью нескольких ЦАП, на которые подаются цифровые коды, формируются аналоговые напряжения, предназначенные для задания уровней градиентов, формы огибающей РЧ импульса и ряда других аналоговых сигналов, о которых будет сказано ниже. Так как аналоговых сигналов требуется много, то программатор уровней конструктивно может быть размещен на двух платах.

В радиочастотном блоке находится задающий генератор радиочастотного возбуждающего сигнала, устройство смещения радиочастоты, оконечный усилитель МР сигнала и его детектор.

Блок выбора слоя тесно связан с блоком РЧ, так как в нем формируются необходимые сигналы для организации смещения РЧ частоты и огибающая РЧ импульса.

Хотя индуктивности градиентных катушек сравнительно невелики, при подаче градиентных импульсов с крутыми фронтами в них могут возникать нежелательные переходные процессы. В блоке коррекции градиентов происходит автоматическое преобразование прямого фронта напряжения, поступающего от программатора импульсов, в напряжение с линейным фронтом и оптимальной скоростью нарастания, при которой переходный процесс минимален.

Наконец, в блоке АЦП и фильтров формируется цифровой результат преобразования МР-сигнала. Фильтры служат для выбора полосы пропускания, в которой принимается сигнал от выбранного слоя, т.е. в полосе частоты смещения. Таких блоков в крейте также может быть два.

Сложность МРТ заключается в его магнитной системе и программном обеспечении.

Из электронных узлов, обеспечивающих действие системы, наибольший интерес представляют блоки радиочастотной группы. Одним из главных требований, предъявляемых к РЧ блоку, является высокая стабильность радиочастоты, что обеспечивается применением кварцевого задающего генератора, который вырабатывает сигнал с частотой f₀, определяемой равенством Лармора. Поэтому смещение этой частоты при выборе слоя осуществляется не прямым способом, а путем косвенных нелинейных преобразований, например смешиванием сигналов частоты f₀ и частоты смещения.

Смещенный сигнал усиливается по напряжению и по мощности в блоке передатчика, модулируется огибающей с заданным законом изменения и поступает на РЧ катушки по общему коаксиальному фидеру. Соответственно их пространственному расположению пары катушек называются вертикальной и горизонтальной. Для получения вращающегося магнитного поля в цепях каждой пары катушек имеются фазосдвигающие звенья, которые создают сдвиг фаз их токов в 90^о.

МР сигнал, получаемый от тела, снимается с тех же катушек, которые служат для возбуждения, и поступает по двум каналам в предварительный усилитель, расположенный поблизости. В нем сигналы каналов объединяются и по общему коаксиальному кабелю приходят на оконечный усилитель МР сигнала. Как было показано, для возбуждения катушек на них подаются большие напряжения. Поэтому должны быть предусмотрены меры по защите предусилителя МР сигнала от перенапряжений по входу. При приеме сигнала РЧ катушки, имеющие относительно малое входное сопротивление, могут оказывать шунтирующее действие. Для его исключения также принимают различные меры - нелинейные элементы, коммутирующие устройства, которые отключают РЧ катушки при приеме МР сигнала.

Объединенный МР сигнал детектируется синхронным детектором, который управляется напряжением задающего генератора. В синхронном детекторе МР сигнал разделяется на два канала U и V, сигналы которых находятся в квадратуре и, по сути, представляют собой физическое воплощение представлений о вращающейся системе координат и ее параметров u и v. Поэтому выбор символов для обозначения каналов не случаен. Далее эти сигналы поступают в два канала АЦП. Применение синхронного детектора продиктовано очень малой величиной МРС. Как известно из теории радиоприема, синхронный детектор обладает хорошей помехоустойчивостью и избирательностью.

Сигнал в приемной катушке в значительной степени зависит от магнитной индукции.

Было предложено классифицировать все МР томографы по силе создаваемого магнитного поля.

Существует 5 типов МРТ аппаратов:

ультранизкие томографы - ниже 0,1 Тл;

низкие томографы - от 0,1 до 0,5 Тл;

средние томографы - от 0,5 до 1 Тл;

высокие томографы - от 1 до 2 Тл;

ультравысокие томографы - свыше 2 Тл.

томография мозг компьютерный резонансный

3. Типы МРТ аппаратов по виду используемых магнитов

Магнит в МР томографе может быть постоянным, резистивным электрическим и сверхпроводящим электрическим.

Постоянные магниты в МРТ аппаратах изготавливают из ферромагнитных сплавов.

Ориентация магнитного поля обычно вертикальная. Магниты МР томографов не требуют затрат электроэнергии и охлаждения.

Величина индукции магнитного поля находится в пределах 0,2-0,3 Тл.

Интерес к постоянным магнитам в последнее время сильно возрос. Это связано с тем, что постоянные магниты томографов легко конфигурируются по МРТ открытого типа, т.е. обеспечивают доступ к больному и уменьшают клаустрофобию.

Резистивный электромагнит томографа представляет собой соленоид из медной или железной проволоки. Охлаждается водой.

Создаваемые МРТ аппаратом магнитные поля лежат в пределах 0,2-0,4 Тл, ориентация поля - вдоль отверстия соленоида.

Все современные резистивные электромагниты делают открытыми для применения в открытых МРТ аппаратах. Интерес к ним в последнее время падает, так как содержание МР томографов на их основе дороже, чем на магнитах постоянного типа.

Сверхпроводящие электромагниты в МР томографах представляют собой соленоид из ниобий-титанового сплава, который при охлаждении жидким гелием до -269°С не имеет электрического сопротивления. Создаваемые МРТ аппаратом магнитные поля находятся в пределах от 0,35 до 4 Тл.

Поле высокой напряженности, очевидно, служит большим достоинством сверхпроводящих магнитов. В последние годы удалось сконструировать открытые сверхпроводящие магниты для открытых МРТ аппаратов.

Недостатком сверхпроводящих магнитов, используемых в МР томографах, помимо высокой стоимости, является необходимость охлаждения жидким гелием.

4. Принципы построения МР-изображения

МР изображение по сути является рассчитанной картой или изображением радиочастотных сигналов, излучаемых телом человека. Сигнал представляет собой одновременное получение компонент намагничивания M_x и M_y как функций времени и регистрируется с помощью двух отдельных каналов датчика, дающих информацию о компонентах сигнала. В этом фазочувствительном методе комплексный демодулированный сигнал разделен на 2 компонента: действительный и мнимый, смещенный на 90° относительного первого. Сигналы обоих каналов объединяются в один набор квадратурных действительных и мнимых спектров и затем обрабатываются с помощью преобразования Фурье.

Каждая точка матрицы сырых данных содержит часть информации об изображении и не соответствует точке матрицы изображения. K-пространство эквивалентно пространству, определенному направлениями кодирования фазы и частоты, каждая линия данных которого соответствует оцифрованному МР-сигналу с уникальным уровнем кодирования фазы. Комплексные данные в правой половине k-пространства комплексно сопряжены с данными левой половины k-пространства. При этом внешние ряды матрицы сырых данных дают информацию о границах и контурах изображения или отдельных структур и определяют разрешение мелких деталей. Траектория k-пространства - дорожка, прослеживаемая в пространственно частотной области при сборе данных, и определяемая приложенными градиентами; k-пространство может заполняться по строкам или по спирали, в зависимости от прикладываемых градиентов и выбранных алгоритмов сбора данных.

Интенсивность каждого элемента МР изображения пропорциональна интенсивности сигнала от соответствующего элемента объема 3D пространства для данной толщины среза. Размер пиксела может быть меньше фактического пространственного разрешения и определяется размером выбранной области пространства и матрицей изображения. Пикселы часто используются для измерения разрешения изображений.

Основные импульсные последовательности

Для МР-томографии разработаны различные импульсные последовательности, которые, в зависимости от цели исследования, определяют вклад того или иного параметра в интенсивность изображения исследуемых структур для получения оптимального контраста между нормальными и измененными тканями. Импульсной последовательностью называют выбранный набор определенных РЧ и градиентных импульсов, обычно неоднократно повторяемых во время сканирования, интервал между которыми, их амплитуда и форма определяют характеристики изображений. Импульсные последовательности - это компьютерные программы, контролирующие все настройки аппаратуры в процессе измерений, основными параметрами которых являются:

TR - период повторения последовательности; TE - время появления эхо-сигнала; TI - время инверсии, используется для ряда последовательностей; ETL - длина эхо-трейна; BW - ширина частотной полосы пропускания; FA - угол отклонения, используется для ряда последовательностей; NEX - количество возбуждений выбранного слоя.

Все временные интервалы в последовательностях задаются в мс.

Импульсные последовательности можно классифицировать следующим образом:

1) спин-эхо последовательности, основанные на обнаружении спинового эха;

2) градиент-эхо последовательности, основанные на обнаружении градиентного эха;

3) последовательности с выборочным подавлением сигналов.

Спин-эхо последовательность - наиболее часто используемая ИП, основанная на обнаружении спинового эха. Первым подается 90° РЧ импульс, поворачивающий намагниченность в плоскость XY. Протоны начинают синхронно вращаться, но из-за неоднородности поля синхронность будет теряться и поперечная составляющая сместится по фазе. Через некоторое время прикладывается 180° импульс, поворачивающий намагниченность вокруг оси X; протоны окажутся в фазе, создав значительную поперечную намагниченность для получения сигнала спин-эхо.

Преимущество этого метода состоит в значительном уменьшении продолжительности сканирования. Благодаря использованию 180° РЧ импульсов изображения, полученные с помощью ИП быстрое спин эхо, менее чувствительны к неоднородностям магнитного поля и парамагнетикам. На практике последовательность FSE применяется для исследований с высоким разрешением и различным сочетанием числа шагов частотного и фазового кодирования. На контрастность FSE изображения влияют параметры TE, TR и ETL. Недостатком метода является размывание мелких деталей изображения, снизить которое можно выбирая меньшую длину эхо-трейна.

Последовательность инверсия-восстановление представляет собой разновидность ИП спин-эхо, в которой первым подается инвертирующий 180° РЧ импульс, поворачивающий суммарную намагниченность против внешнего поля. После его отключения поперечная намагниченность отсутствует, а продольная испытывает спин-решеточную релаксацию и возвращается от значения Mz в равновесное состояние вдоль поля. Если через некоторое время TI подать 90° импульс, то он создаст поперечную намагниченность в плоскости XY. Протоны начинают терять синхронность прецессии и подаваемый затем 180° импульс создает эхо-сигнал. Временной промежуток между 90° возбуждающим импульсом и серединой считывающего импульса называют временем TE, по аналогии с ИП спин эхо.

Последовательность аналогична ИП градиентное эхо, за исключением того, что за один период TR подается несколько дополнительных частичных РЧ импульсов для возбуждения протонов, которые затем перефазируются с помощью градиентных импульсов. Использование частичных РЧ сигналов сокращает длительность возбуждающих импульсов и время считывания, что уменьшает общее время сканирования.

В отличие от обычной IR, все линии k-пространства или их большинство получены после единственного инвертирующего импульса, который можно рассматривать как блок считывания. Последовательность может использоваться в нескольких режимах. В двухмерном последовательном режиме за один период TR выполняется один шаг фазового кодирования для одного среза. До перехода к следующему срезу выполняются все шаги фазового кодирования для текущего среза. Быстрый мультипланарный режим позволяет получать данные для нескольких срезов в течение одного периода TR. Трехмерный режим характеризуется увеличением отношения сигнал

У быстрого отображения есть недостатки. Во-первых, EPI накладывает требования на аппаратуру, в частности на силу градиентов, время переключения градиентов и полосу пропускания приемника. Во-вторых, EPI крайне чувствительна к артефактам и искажениям, поэтому для минимизации химического сдвига водаFLAIR или T₁ изображения.

Таблица 1. Значения времени T₁ и T₂ релаксации тканей в поле 1,5 Тл

Таблица 2. Сигнал от образований на различных видах МР-изображений

Пациент располагается на столе томографа. Оператор томографа помещает отображающую катушку около исследуемой области. При этом тело человека размещено так, чтобы эта область находилась в изоцентре магнита. Срок обследования при МРТ - в среднем 30-60 минут, в течение которых нужно лежать неподвижно.

Список литературы

1. Медицинский справочник - URL: http:mfvt.ru

2. Корниенко В.Н., Туркин А.М., Турнин Ю.К. Новое в диагностике аденомы гипофиза - опыт применения рентгеновской и магнитно-резонансной томографии. Журнал Вопросы нейрохирургии имени Н.Н. Бурденко. - 1990. - №2. - С. 24.

3. Корниенко В.Н. Нейрорадиология - состояние и перспективы. Журнал Вопросы нейрохирургии имени Н.Н. Бурденко. - 1996. - №1. - С. 3.

4. Пронин И.И., Толанов А.В. Возможности КТ и МТР в изучении перитуморального отёка и внутримозговых опухолей супратенториального распространения. Журнал Вопросы нейрохирургии имени Н.Н. Бурденко. - 1996. - №1. - С. 10.

Размещено на Allbest.ru